JP5734694B2

JP5734694B2 - 燃料電池スタックの制御方法

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Publication number: JP5734694B2
Application number: JP2011029506A
Authority: JP
Inventors: 隼山本; 文一齊藤; あや香南郷; 知義黒石
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: JP2012169163A

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法に関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、ＭＥＡとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するとともに、各燃料電池毎に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが供給されている。

一般的に、ＳＯＦＣでは、定格運転温度が比較的高温であるため、起動から定格運転に移行するまでにかなりの時間がかかってしまう。特に、ＳＯＦＣは、定格運転を継続する程、累積した効率が向上するため、稼動時間が長くなる程、有効に機能することが知られている。

ところで、ＳＯＦＣを、例えば、可搬型電源（汎用発電機等）として使用する場合、前記ＳＯＦＣの起動及び停止が頻繁に行われることが前提となり、起動から迅速に発電を開始することが望まれている。しかしながら、起動時間を短縮させるため、ＳＯＦＣの起動時に急速に昇温させると、熱変位により燃料電池スタックやＭＥＡが破損し易くなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの運転方法が知られている。この特許文献１は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する固体酸化物形燃料電池セルと、前記固体酸化物形燃料電池セルから電流を流すように制御する負荷制御部とを備える燃料電池システムの運転方法である。

この運転方法では、燃料ガスと酸化剤ガスを固体酸化物形燃料電池セルに供給しながら前記固体酸化物形燃料電池セルの温度を上昇させ、前記固体酸化物形燃料電池セルの温度が発電可能な温度に至る前には、負荷制御部により前記固体酸化物形燃料電池セルから定格運転時の電流より低い電流を流し、前記固体酸化物形燃料電池セルの温度が発電可能な温度に至った後には、前記燃料電池システムを定格運転に移行させることを特徴としている。

これにより、ＳＯＦＣの温度が均一化され、内部抵抗のばらつきが低減されるとともに、短絡による電圧降下が惹起されても、固体酸化物形燃料電池セルに与える損傷を小さくすることができる、としている。

特開２００９−２０５９９６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、定格運転前に固体酸化物形燃料電池セルから定格運転時の電流より低い電流を流しているため、その分の発電反応が行われていない。従って、ＳＯＦＣの発電量が減少してしまい、前記ＳＯＦＣに十分な熱量を付与することができない。これにより、ＳＯＦＣの起動時間が長くなるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の起動及び停止が繰り返されるとともに、前記燃料電池を劣化させることがなく、迅速に昇温させることができ、効率的な発電を行うことが可能な燃料電池スタックの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法に関するものである。

この制御方法では、燃料電池スタック全体がアノード電極に供給される燃料ガスの発火点を超えて加熱される温度である規定温度、燃料電池が正常に発電し、通電時に電解質・電極接合体が劣化しない起電力の下限値である下限起電力、及び燃料電池スタックが定格運転される温度である定格運転温度を設定する工程と、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する一方、カソード電極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池を起動して昇温させるとともに、前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達したか否かを判断する工程と、前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達したと判断された際、前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達したか否かを判断する工程と、前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達したと判断された際、前記燃料電池の発電を開始させる工程と、前記燃料電池の発電が開始された後、前記燃料電池スタックの温度が前記定格運転温度に到達したか否かを判断する工程と、前記燃料電池スタックの温度が前記定格運転温度に到達したと判断された際、前記燃料電池スタックの昇温が終了する工程と、前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達していないと判断された際、及び前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達していないと判断された際、前記燃料電池の発電を開始することなく、再度昇温を行う工程と、を有している。

従って、規定温度が、燃料電池スタックを燃料ガスの発火点を超えて加熱させる温度に設定されることにより、前記燃料電池スタック全体は、前記燃料ガスの発火点以上の温度で均一化される。これにより、燃料ガスは、発電反応後に完全に燃焼し、残留した燃料ガスによる部分燃焼や異常燃焼の発生を可及的に阻止することができる。

このため、燃料電池スタックの温度が規定温度に到達し且つ燃料電池の起電力が下限起電力に到達するまでの間、前記燃料電池の発電が開始されることがない。従って、電解質・電極接合体の劣化を防止しながら、燃料電池スタックを迅速に昇温させることが可能になる。

さらにまた、この制御方法では、燃料電池スタックの温度が定格運転温度に到達しないと判断された際、燃料電池の発電を開始した状態で、再度昇温を行うことが好ましい。これにより、燃料電池スタック全体を定格運転温度に迅速且つ確実に昇温させて、有効な発電が遂行される。

本発明によれば、燃料電池スタックの温度が規定温度に到達し且つ燃料電池の起電力が下限起電力に到達した時点で、燃料電池の発電が開始される。このため、電解質・電極接合体の劣化を可及的に阻止しながら、定格運転に至るまでの累積の発電効率が向上する。しかも、起動及び停止が頻繁に行われる燃料電池では、起動初期から発電することができるため、特に有効である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの制御方法が適用される燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。前記燃料電池スタックの分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池のガス流れ説明図である。前記制御方法を説明するフローチャートである。本実施例、比較例及び汎用発電機の累積効率の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の制御方法が適用される燃料電池システム１２は、定置用の他、可搬用電源や車載用燃料電池等の種々の用途に用いられる。

燃料電池システム１２は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１１と、前記燃料電池モジュール１１に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置１６と、前記燃料電池モジュール１１に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１８と、前記燃料電池モジュール１１に水を供給する水供給装置２０と、前記燃料電池モジュール１１を起動又は停止させるとともに、起電力を得るための制御装置２１とを備える。

燃料電池モジュール１１は、固体酸化物形の燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０の積層方向上端側（又は積層方向下端側）には、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１０に供給する前に加熱する熱交換器２２と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２４と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質器２６とが配設される。

燃料電池スタック１０の積層方向下端側（又は積層方向上端側）には、少なくとも燃料電池スタック１０、熱交換器２２、蒸発器２４又は改質器２６を昇温させる燃焼器２７とが配設される。

改質器２６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

図２〜図４に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池２８が矢印Ａ方向に積層される。燃料電池２８は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池２８は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３６を備える。

電解質・電極接合体３６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池２８は、第１セパレータ３８ａ及び第２セパレータ３８ｂ間に１個の電解質・電極接合体３６が挟持される。第１セパレータ３８ａ及び第２セパレータ３８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。

図３に示すように、第１セパレータ３８ａは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート４０ａ及び第２プレート４２ａを有する。第１プレート４０ａ及び第２プレート４２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。

第１プレート４０ａは、略平板状に形成されるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４４が形成される第１燃料ガス供給部４６を有する。この第１燃料ガス供給部４６から外方に延在する第１橋架部４８を介して第１挟持部５０が一体に設けられる。

第１挟持部５０は、電解質・電極接合体３６と同じ寸法もしくは電解質・電極接合体３６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部５０のアノード電極３４に接する面には、複数の凸部５２が設けられる。凸部５２は、アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路５４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部５０の中央部には、アノード電極３４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５６が形成される。

第２プレート４２ａは、燃料ガス供給連通孔４４が形成される第２燃料ガス供給部５８を有する。この第２燃料ガス供給部５８から外方に延在する第２橋架部６０を介して第２挟持部６２が一体に設けられる。第２プレート４２ａの外周を周回して第１プレート４０ａ側に突出する周回凸部６４が設けられ、この周回凸部６４に前記第１プレート４０ａが接合される。

第２燃料ガス供給部５８、第２橋架部６０及び第２挟持部６２の第１プレート４０ａに向かう面には、前記第１プレート４０ａに接して積層方向の荷重に対する潰れ防止機能を有する複数の突起部６６が形成される。

第１及び第２橋架部４８、６０間には、燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス供給通路６８が形成される。燃料ガス供給通路６８は、第１及び第２挟持部５０、６２間に形成される燃料ガス充填室７０を介して燃料ガス供給孔５６に連通する。

第２セパレータ３８ｂは、第１セパレータ３８ａと同一形状に構成されており、第１プレート４０ａ及び第２プレート４２ａに対応する第１プレート４０ｂ及び第２プレート４２ｂを有する。第１プレート４０ｂ及び第２プレート４２ｂは、積層方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔７２が形成される第１及び第２酸化剤ガス供給部７４、７６を有する。

第１プレート４０ｂ及び第２プレート４２ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部７４、７６から外方に突出する第１及び第２橋架部７８、８０を介して第１及び第２挟持部８２、８４が一体に設けられる。

第１挟持部８２のカソード電極３２に接触する面には、複数の凸部５２を介し前記カソード電極３２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路８６が形成される。第１挟持部８２の中央部には、カソード電極３２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔８８が形成される。

第２プレート４２ｂ内には、第１プレート４０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔７２に連通する酸化剤ガス供給通路９０が、第１及び第２橋架部７８、８０間に対応して形成される。第２挟持部８４内には、酸化剤ガス供給連通孔７２と酸化剤ガス供給通路９０を介して連通する酸化剤ガス充填室９２が形成される。

図２及び図３に示すように、第１セパレータ３８ａは、第１及び第２燃料ガス供給部４６、５８により燃料ガス供給部９４を構成し、第１及び第２橋架部４８、６０により橋架部９６を構成し、第１及び第２挟持部５０、６２により挟持部９８を構成する。第２セパレータ３８ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部７４、７６により酸化剤ガス供給部１００を構成し、第１及び第２橋架部７８、８０により橋架部１０２を構成し、第１及び第２挟持部８２、８４により挟持部１０４を構成する。

積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ３８ａを構成する各燃料ガス供給部９４間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材１０６ａが介装される。積層方向に互いに隣接する一対の第１セパレータ３８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部１００間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材１０６ｂが介装される。

シール部材１０６ａ、１０６ｂは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１０６ａ、１０６ｂは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本発明の制御方法との関連で、図５に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１２が起動されると（ステップＳ１）、図１に示すように、燃焼器２７に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することによって駆動し、燃焼器２７の昇温を開始する。これにより燃料電池モジュール１１を加熱する。原燃料供給装置１６の駆動作用下に、蒸発器２４には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、蒸発器２４には、水が供給されるとともに、熱交換器２２には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。

このため、改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯが得られる。この水素ガス、ＣＯを主成分とする改質ガス（燃料ガス）は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔４４に供給される。

一方、熱交換器２２に供給される空気は、この熱交換器２２に沿って移動する際、後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器２２で加温された空気は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔７２に供給される。

図２〜図４に示すように、燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池２８を構成する第１セパレータ３８ａに形成された燃料ガス供給通路６８に導入される。この燃料ガスは、第１及び第２橋架部４８、６０間を燃料ガス供給通路６８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室７０に充填される。

さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５６から燃料ガス通路５４に導入される。その際、燃料ガス供給孔５６は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極３４の中心から燃料ガス通路５４に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔７２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ３８ｂを構成する第１及び第２橋架部７８、８０間に形成された酸化剤ガス供給通路９０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室９２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔８８から酸化剤ガス通路８６に導入される。

酸化剤ガス供給孔８８は、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路８６に沿ってカソード電極３２の中央位置から外周部に向かって移動する。

これにより、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極３２の電極面の中心側から周端部側に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。

燃料ガス通路５４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路８６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体３６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。この排ガスは、熱交換器２２に導入され、使用前の酸化剤ガスを加熱した後、燃料電池モジュール１１の外部に排気される。

上記のように、燃料電池システム１２が起動されることにより、燃料電池スタック１０の温度が上昇する（ステップＳ２）。そして、ステップＳ３では、燃料電池スタック１０の温度が、規定温度に到達したか否かを判断する。燃料電池スタック１０の温度は、図示しない温度センサにより検出されるとともに、その検出結果が制御装置２１に送られる。

ここで、規定温度は、燃料電池スタック１０を燃料ガスの発火温度（発火点）以上に加熱する温度に設定される。具体的には、燃料ガスが改質されて生じた水素ガスは、自然発火する発火点が約５００℃である。燃料電池スタック１０自体の熱損失を考慮すると、前記燃料電池スタック１０全体を５００℃に良好に維持するために、該燃料電池スタック１０を、例えば、約６００℃まで昇温する必要がある。従って、規定温度は、例えば、約６００℃に設定されることが好ましい。

燃料電池スタック１０の温度が、規定温度に到達したと判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、燃料電池２８から発生する起電力が、下限起電力に到達したか否かを判断する。ここで、下限起電力は、燃料電池２８が正常に発電する、すなわち、通電した際に電解質・電極接合体３６が劣化しない起電力の下限値である。具体的には、起電圧の下限値を、通電時に電解質・電極接合体３６が劣化しない電圧の下限臨界値に設定する。

次いで、燃料電池２８から発生する起電力が、下限起電力に到達したと判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、定格運転に入る前の発電が開始される。さらに、ステップＳ６に進んで、燃料電池スタック１０の温度が、定格運転温度に到達したか否かを判断する。ここで、定格運転温度は、燃料電池スタック１０が定格運転される温度であり、例えば、７００℃前後である。

燃料電池スタック１０の温度が、定格運転温度に到達したと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、前記燃料電池スタック１０の昇温が終了する。そして、燃料電池スタック１０は、定格運転を行うとともに、発電が終了することにより（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、燃料電池システム１２が停止される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の温度が規定温度に到達し且つ燃料電池２８の起電力が下限起電力に到達した時点で、前記燃料電池２８の発電が開始されている。このため、電解質・電極接合体３６の劣化を可及的に阻止しながら、定格運転に至るまでの累積の発電効率が向上する。

図６に示すように、一般的な汎用発電機では、運転時間に関わりなく、同一の効率を維持している。一方、一般的なＳＯＦＣ（比較例）では、短時間の発電において累積した効率が低く、累積した効率を高くするために、運転を長時間にする必要がある。このため、通常、定格運転条件に入り、ＳＯＦＣが安定した後に発電を開始している。

そこで、第１の実施形態（本実施例）では、燃料電池スタック１０の温度が規定温度に到達することを要件とし、すなわち、供給された燃料ガスが自然発火せずに残留して異常燃焼が発生することを阻止することを要件としている。さらに、燃料電池２８の起電力が下限起電力に到達することを要件とし、すなわち、電解質・電極接合体３６が劣化することを阻止することを要件としている。

このように、上記の要件が満たされた後、燃料電池２８の発電が開始されるため、比較例よりも早期に電流を取り出すことができ、効率的な電力供給作業が遂行されるという効果が得られる。特に、起動及び停止が頻繁に行われる可搬型燃料電池として使用され、累積の効率が、本実施例と比較例とで同一になる前に停止する際には、起動初期から発電することができるため、前記比較例よりも電流の取り分が多くなる。

また、燃料電池スタック１０の規定温度は、この燃料電池スタック１０自体の熱損失を考慮して前記燃料電池スタック１０全体が燃料ガスの発火点を超えて加熱される温度に設定されている。従って、燃料電池スタック１０全体は、燃料ガスの発火温度以上の温度で均一化される。これにより、燃料ガスは、発電反応後に完全に燃焼し、残留した燃料ガスによる部分燃焼や異常燃焼の発生を可及的に阻止することができる。

さらに、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の温度が規定温度に到達していないと判断された際（ステップＳ３中、ＮＯ）、及び燃料電池２８から発生する起電力が下限起電力に到達していないと判断された際（ステップＳ４中、ＮＯ）、前記燃料電池２８の発電を開始することなく、再度昇温が行われている。

このため、燃料電池スタック１０の温度が規定温度に到達し且つ燃料電池２８の起電力が下限起電力に到達するまでの間、前記燃料電池２８の発電が開始されることがない。従って、電解質・電極接合体３６の劣化を防止しながら、燃料電池スタック１０の昇温に専念することができ、迅速に昇温させることが可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の温度が定格運転温度に到達しないと判断された際（ステップＳ６中、ＮＯ）、燃料電池２８の発電を開始した状態で、再度昇温が行われている。これにより、燃料電池スタック１０全体を定格運転温度に迅速且つ確実に昇温させて、有効な発電が遂行される。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１０８を構成する燃料電池１１０の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７及び図８に示すように、燃料電池１１０は、例えば、矩形状の電解質（電解質板）１１２の両面に、カソード電極１１４及びアノード電極１１６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）１１８を備える。

燃料電池１１０は、一組のセパレータ１２０間に単一の電解質・電極接合体１１８を挟んで構成される。セパレータ１２０は、第１プレート１２２及び第２プレート１２４を備え、前記第１プレート１２２及び前記第２プレート１２４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。

セパレータ１２０は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６を形成する燃料ガス供給部１２８を有する。この燃料ガス供給部１２８から外方に延在する橋架部１３０を介して矩形状の挟持部１３２が一体的に設けられる。挟持部１３２は、電解質・電極接合体１１８と略同一寸法に設定される。

挟持部１３２のカソード電極１１４に接する面には、前記カソード電極１１４の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路１３４が形成される。挟持部１３２のアノード電極１１６の接する面には、前記アノード電極１１６の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１３６が形成される。橋架部１３０には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔１２６から燃料ガス通路１３６に供給するための燃料ガス供給通路１３８が形成される。

図７に示すように、第１プレート１２２は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６が形成される第１円板部１４０と、前記第１円板部１４０に一体に設けられる第１長板部１４２と、前記第１長板部１４２に一体に設けられる第１矩形状部１４４とを有する。第１矩形状部１４４には、第１プレート１２２のカソード電極１１４に向かう面１２２ａ側に、酸化剤ガス通路１３４を形成するための複数の突起部１４６が形成される。

第２プレート１２４は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６が形成される第２円板部１４８と、前記第２円板部１４８に一体に設けられる第２長板部１５０と、前記第２長板部１５０に一体に設けられる第２矩形状部１５２とを有する。第２プレート１２４に接合される面１２４ａ側において、第２円板部１４８には、円環状に配列される複数の凸部１５４間にスリット１５６が形成され、このスリット１５６は、周溝１５８を介して燃料ガス供給通路１３８の一端側に連通する。燃料ガス供給通路１３８は、第２長板部１５０から第２矩形状部１５２の途上で延在して終端する。

第２矩形状部１５２には、燃料ガス供給通路１３８の周端部近傍に位置して燃料ガス供給孔１６０が形成される。燃料ガス供給孔１６０は、後述する酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上方側に近接し、すなわち、第２長板部１５０側に近接した位置に設定される。

図９に示すように、第２プレート１２４のアノード電極１１６に接触する面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６を形成するための複数の突起部１６２が形成される。面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６を周回し、アノード電極１１６の外周縁部に接触する外縁周回用凸部１６５が形成される。

面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔１６４に連通する貫通孔１６６が形成される。貫通孔１６６は、第２長板部１５０（橋架部１３０）の延長線と交差する方向に複数配列される。各貫通孔１６６に連通する各燃料ガス排出孔１６４は、挟持部１３２の一辺１３２ａに橋架部１３０の延長線と直交する方向（矢印Ｃ方向）に配列される（図７参照）。

図９に示すように、面１２４ｂには、アノード電極１１６に接触するとともに、燃料ガス供給孔１６０と貫通孔１６６（燃料ガス排出孔１６４）との間に且つ前記燃料ガス供給孔１６０側にＶ字状に折曲し、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔１６０から前記貫通孔１６６に直線状に流れることを阻止するための迂回路形成用壁部１６８が設けられる。迂回路形成用壁部１６８は、Ｖ字状の内部領域Ｓを形成し内部領域Ｓに燃料ガス供給孔１６０が配設される。迂回路形成用壁部１６８は、両端１６８ａ、１６８ｂの延長線が挟持部１３２の両頂部に向かうように設定される。

図７及び図８に示すように、橋架部１３０の両側には、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔１７０が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１７０は、鉛直方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池１１０を構成する酸化剤ガス通路１３４に沿って前記酸化剤ガスを矢印Ｂ方向に供給する。

電解質・電極接合体１１８を挟んで配設される一対のセパレータ１２０を構成する各燃料ガス供給部１２８間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材１７２が設けられる。

燃料電池１１０は、挟持部１３２の矢印Ｂ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１７４が形成される。この排ガス排出連通孔１７４は、電解質・電極接合体１１８に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する。

このように構成される燃料電池１１０では、燃料ガス供給連通孔１２６に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔１７０には、酸化剤ガスが供給される。図７及び図８に示すように、燃料ガス供給連通孔１２６に供給された燃料ガスは、各燃料電池１１０を構成するセパレータ１２０において、スリット１５６から周溝１５８を通って、橋架部１３０に形成されている燃料ガス供給通路１３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１３８から燃料ガス供給孔１６０を通って、燃料ガス通路１３６に導入される。

図９に示すように、燃料ガス供給孔１６０は、橋架部１３０側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部１６８の内部領域Ｓに配置されている。このため、燃料ガス供給孔１６０から燃料ガス通路１３６に導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部１６８の案内作用下に前記燃料ガス通路１３６を通って、電解質・電極接合体１１８のアノード電極１１６に供給される。使用済みの燃料ガスは、複数の貫通孔１６６から各燃料ガス排出孔１６４を通って排ガス排出連通孔１７４に排出される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔１７０に供給された空気は、図８に示すように、各電解質・電極接合体１１８のカソード電極１１４とセパレータ１２０の面１２２ａとの間に形成されている酸化剤ガス通路１３４に導入される。酸化剤ガス通路１３４では、酸化剤ガスは矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体１１８のカソード電極１１４に供給された後、排ガス排出連通孔１７４に排出される。

従って、電解質・電極接合体１１８では、アノード電極１１６に燃料ガスが供給される一方、カソード電極１１４に空気が供給される。これにより、酸化物イオンは、電解質１１２を通ってアノード電極１１６に移動し、化学反応により発電が行われる。

この場合、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に制御されるものであり、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１０８…燃料電池スタック１１…燃料電池モジュール
２８、１１０…燃料電池１２…燃料電池システム
１６…原燃料供給装置１８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置２１…制御装置
２２…熱交換器２４…蒸発器
２６…改質器２７…燃焼器
３０、１１２…電解質３２、１１４…カソード電極
３４、１１６…アノード電極３６、１１８…電解質・電極接合体
３８ａ、３８ｂ、１２０…セパレータ
４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ、１２２、１２４…プレート
４４、１２６…燃料ガス供給連通孔４６、９４、１２８…燃料ガス供給部
４８、６０、７８、８０、９６、１０２、１３０…橋架部
５０、６２、８２、８４、９８、１０４、１３２…挟持部
５４、１３６…燃料ガス通路５６、１６０…燃料ガス供給孔
６８、１３８…燃料ガス供給通路７２、１７０…酸化剤ガス供給連通孔
７４、７６、１００…酸化剤ガス供給部
８６、１３４…酸化剤ガス通路８８…酸化剤ガス供給孔
１６４…燃料ガス排出孔

Claims

電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの制御方法であって、
前記燃料電池スタック全体が前記アノード電極に供給される燃料ガスの発火点を超えて加熱される温度である規定温度、前記燃料電池が正常に発電し、通電時に電解質・電極接合体が劣化しない起電力の下限値である下限起電力、及び前記燃料電池スタックが定格運転される温度である定格運転温度を設定する工程と、
前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池を起動して昇温させるとともに、前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達したか否かを判断する工程と、
前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達したと判断された際、前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達したか否かを判断する工程と、
前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達したと判断された際、前記燃料電池の発電を開始させる工程と、
前記燃料電池の発電が開始された後、前記燃料電池スタックの温度が前記定格運転温度に到達したか否かを判断する工程と、
前記燃料電池スタックの温度が前記定格運転温度に到達したと判断された際、前記燃料電池スタックの昇温が終了する工程と、
前記燃料電池スタックの温度が前記規定温度に到達していないと判断された際、及び前記燃料電池から発生する起電力が前記下限起電力に到達していないと判断された際、前記燃料電池の発電を開始することなく、再度昇温を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
請求項１記載の制御方法において、前記燃料電池スタックの温度が前記定格運転温度に到達しないと判断された際、前記燃料電池の発電を開始した状態で、再度昇温を行うことを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
請求項１又は２記載の制御方法において、前記燃料電池スタックは、可搬型燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。